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1模型結(jié)構(gòu)

在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，營養(yǎng)物質(zhì)在水-底泥-植物界面不斷遷移轉(zhuǎn)化，對其模擬研究主要包括3個子模型，即植物生長模型、底泥營養(yǎng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化模型和水動力水質(zhì)模型（圖1）.

1.1模型機理水生植物在整個水體生態(tài)系統(tǒng)的建構(gòu)、平衡、維持、恢復(fù)等過程中起到重要的作用.水生植物在其生長發(fā)育以及衰敗、死亡過程中，通過對碳、氮、磷等營養(yǎng)元素的吸收同化、腐爛分解、沉積等過程調(diào)節(jié)著水體的營養(yǎng)平衡，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量循環(huán)產(chǎn)生重要影響.

1.1.1水生植物生長與營養(yǎng)物質(zhì)的吸收同化水生植物在生長發(fā)育過程中，通過根部直接從底泥中吸收碳、氮、磷等營養(yǎng)鹽，同化為自身結(jié)構(gòu)的組成物質(zhì)，降低了底泥中營養(yǎng)物質(zhì)的含量.水體中的營養(yǎng)物質(zhì)通過沉積、吸附進入底泥，補充底泥里營養(yǎng)物質(zhì)的流失（圖2）.

1.1.2水生植物衰亡與營養(yǎng)物質(zhì)的沉積水生植物在發(fā)育成熟以后進入衰亡階段，不再吸收營養(yǎng)物質(zhì)，通過腐爛、分解、沉積等過程返回至底泥中；底泥中的營養(yǎng)物質(zhì)通過一系列物理化學(xué)作用，釋放回歸水體（圖3）.

1.2基本方程水動力水生態(tài)模型分為兩大部分，即二維湖泊水動力水質(zhì)模型［1］和植物生長-營養(yǎng)物遷移轉(zhuǎn)化模型.

1.2.1水生植物生長模型方程植物生長受溫度、水分、養(yǎng)分和光照等因子的綜合影響，植物生長是理想狀態(tài)下最大生長速率與環(huán)境因子的時間變化函數(shù)［7］.本文主要研究植物生長與營養(yǎng)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)換，假設(shè)水分、溫度和光照因子都處于適宜狀態(tài)，植物生長主要受營養(yǎng)物質(zhì)的限制。

1.2.2底泥中營養(yǎng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化模型底泥在湖泊營養(yǎng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程中起源和匯的作用，既是外源和動植物殘體分解形成營養(yǎng)物質(zhì)的匯，又是水生植物生長所需營養(yǎng)物質(zhì)的源.營養(yǎng)物質(zhì)在底泥中的遷移轉(zhuǎn)化運動受物理、化學(xué)和生物過程綜合影響.

2模型求解

2.1數(shù)值方法

2.1.1植物生長求解水生植物生長模型均是與時間t有關(guān)的函數(shù)，采用時間向前差分方法，進行數(shù)值離散：

2.1.2底泥營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)換求解采用非正交交錯網(wǎng)格，在控制體內(nèi)，對流項采用迎風(fēng)格式處理，對源項進行線性化處理，對公式（2）進行積分和離散。

2.1.3水動力水質(zhì)模型求解采用非正交非交錯網(wǎng)格，在控制體內(nèi)，對流項采用迎風(fēng)格式處理，對二維湖泊水動力水質(zhì)模型公式進行積分和離散，得到對流擴散方程的離散方程。采用SIMPLE正交算法，獲得自由表面η校正方程和速度修正方程，即η校正方程。水面高程修正方程式與動量方程、k-ε紊流模型方程、水質(zhì)擴散方程均屬于同一類五對角型的代數(shù)方程組，可以應(yīng)用SIP方法進行快速求解.

2.2求解過程1）計算植物生長量，求取植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收量.2）計算底泥營養(yǎng)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化，依據(jù)植物吸收的損失量，求取底泥從水體中獲取的營養(yǎng)物質(zhì)補償量.3）計算湖泊水動力水質(zhì)，模擬湖泊水質(zhì)變化情況，對比植物生長前后的湖泊水質(zhì)狀況，求取植物生長對湖泊水質(zhì)的影響.

3模型應(yīng)用

3.1研究區(qū)概況將本模型應(yīng)用于湖北省黃岡市白潭湖，研究區(qū)位于長江中下游下段北岸，屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，日照充足，雨量充沛，四季分明，雨熱同季，年均日照時數(shù)為2082h，為植物生長提供了充足的熱量和光照強度.

3.2模型參數(shù)植物生長模擬模型中各參數(shù)確定方法見文獻［8］，底泥營養(yǎng)物（污染物）遷移轉(zhuǎn)化模型主要參數(shù)值如表1所示.

3.3模型驗證以2013年4月16—20日湖區(qū)取樣點1、4（圖4）的實測值為湖泊原始背景值，對模擬結(jié)果進行驗證，如圖5所示，實測濃度與模擬計算的結(jié)果最大誤差不超過15%，表明該模型可用于研究水域的水質(zhì)模擬研究.

3.4模擬結(jié)果模擬沉水植物生長期（3月中旬至8月下旬）湖區(qū)TN濃度的變化趨勢，5個點位（圖4）的模擬結(jié)果如圖6所示.模擬結(jié)果表明，植物開始生長以后，湖泊水體中的TN含量開始降低，其中位于湖汊處的點1和點2植物密度較高，TN濃度迅速降低后期受外源的影響，植物對氮的吸收與氮源的補給基本持平.點3處湖泊水域面積較小，水體受外部環(huán)境影響較大，植物開始生長時，快速吸收營養(yǎng)物質(zhì)，湖泊TN濃度降低迅速，當(dāng)有外來營養(yǎng)物質(zhì)補充時，湖泊營養(yǎng)物質(zhì)濃度增高，水質(zhì)下降，湖泊水質(zhì)受植物生長與外源共同作用，成波浪式變化.點4和點5位于湖心區(qū)域，受外源影響相對較小，湖泊營養(yǎng)物質(zhì)含量隨植物生長過程逐步降低.植物生長過程能有效改善湖泊水質(zhì)，但水生植物的密度和湖泊容量以及與外部交換能力也會影響湖泊水質(zhì)。

4結(jié)論

為研究湖泊水生植物的生長對湖泊水動力水生態(tài)的影響機理，本文結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對水動力水質(zhì)、水生植物生長和營養(yǎng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化機理的研究成果，根據(jù)水生植物的生長發(fā)育特征及其與外部環(huán)境物質(zhì)交換動力學(xué)特征，基于營養(yǎng)物質(zhì)在植物-底泥-水體界面的遷移轉(zhuǎn)化理論和湖泊水動力響應(yīng)機制，建立了水-生態(tài)-底泥耦合的湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)水動力水生態(tài)數(shù)學(xué)模型，為湖泊水質(zhì)水生態(tài)的改善和修復(fù)提供技術(shù)支撐，對湖泊水生態(tài)修復(fù)具有一定的實際意義.

作者：王生愿 張萬順 吳揚 劉浩 曾子龍 單位：武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院